|
Universets Mørke Tidsaldre Astronomer prøver at
udfylde de blanke sider i vort fotoalbum af det spæde univers Abraham Loeb*
Når jeg ser op på himlen om natten, spekulerer jeg ofte på, om vi
mennesker er for selvoptagede. Universet er meget mere, end hvad møder øjet
på Jorden. Som astrofysiker har jeg det privilegium at blive betalt for at
tænke over det og det sætter tingene i perspektiv for mig. Der er ting, som
jeg ellers ville bekymre mig om – min egen død, for eksempel. Alle vil dø
engang, men når jeg ser universet som helhed, giver det mig en fornemmelse af
lang levetid. Jeg bekymrer mig ikke så meget om mig selv, som jeg ellers
ville, på grund af det store billede. Kosmologer beskæftiger sig med nogle af de
fundamentale spørgsmål, som folk forsøgte at løse i århundredernes løb gennem
filosofisk tænkning, men vi gør det baseret på systematisk observation og en
kvantitativ fremgangsmåde. Den måske største triumf i det seneste århundrede
har været en model af universet, som støttes af en stor mængde data. Værdien
af en sådan model for vort samfund værdsættes sommetider ikke nok. Når jeg
åbner den daglige avis som en del af min morgenrutine, ser jeg ofte
langstrakte beskrivelser af konflikter mellem folk om grænser, besiddelser
eller friheder. Vore dages nyheder er ofte glemt nogle få dage senere. Men
når man åbner gamle tekster, der har tiltrukket et bredt publikum over længre
tid, som Biblen, hvad finder man så ofte i åbningskapitlet? En diskussion af hvordan
universets bestanddele – lys, stjerner, liv – blev skabt. Skønt mennesker
ofte indfanges af jordiske problemer, er de nysgerrige om det store billede.
Som beboere af universet kan vi ikke lade være med at spekulere på, hvordan
de første lyskilder dannedes, hvordan livet kom til at eksistere og om vi er
alene som intelligente skabninger i dette uhyre rum. Astronomer er i det 21.
århundrede unikt placeret til at kunne svare på disse store spørgsmål. Det, der gør moderne kosmologi til en
empirisk videnskab, er, at vi bogstaveligt talt kan spejde ind i fortiden.
Når man betragter sit billede, reflekteret fra et spejl en meter borte, ser
man, hvordan man så ud for seks nanosekunder siden – lysets rejsetid til
spejlet og tilbage. På samme måde behøver kosmologer ikke gætte på, hvordan
universet udviklede sig; vi kan betragte dets historie gennem teleskoper. Da
universet synes at være statistisk identisk i enhver retning, er det, vi ser
milliarder af lysår borte, sandsynligvis en god beskrivelse af, hvordan vor
egen plet i rummet så ud for milliarder af år siden. Observationskosmologiens endelige mål er
at indfange hele universets historie og forsyne os med et sammenhængende
billede af vor nedstamning fra en formløs gas af subatomare partikler. Vi har
et lynskud af universet, som det var 400.000 år efter big bang – den kosmiske
mikrobølge baggrundsstråling – såvel som billeder af individuelle galakser
milliarder af år senere. I midten af næste årti har NASA planlagt opsendelse
af et nyt rumteleskop, kaldet James Web Space Telescope (JWST), der burde
kunne skelne de første galakser, som teoretikerne forudsiger dannedes ved en
kosmisk alder på nogle hundrede millioner år. Men det efterlader alligevel et mægtigt
hul. Imellem frigørelsen af mikrobølgebaggrunden og de første stråler af
stjerneskin var der en periode, hvor universet var mørkt og
mikrobølgebaggrunden ikke længere fulgte fordelingen af stof. Det kunne lyde
som en ligegyldig, trist tid, en kedelig pause mellem det øjeblikkelige
efterspil fra big bang og nutidens travle kosmos. Dog skete der en hel del i
disse Mørke Tidsaldre: ursuppen udviklede sig til den rige zoo af
himmellegemer, vi ser nu. Inde i det blæksorte samlede tyngdekræfterne
objekter i kosmos. Situationen, som astronomerne står
overfor, svarer til at have et fotoalbum med en person; det indeholder det
første ultralydbillede af ham eller hende som en ufødt baby og nogle
yderligere fotos som teenager og voksen. Hvis man ud fra disse billeder
prøvede at gætte, hvad der skete i mellemtiden, kunne man tage alvorligt
fejl. Et barn er ikke blot et forstørret foster eller en formindsket voksen.
Det samme gælder for galakser. De fulgte ikke en ligefrem vej i udviklingen
fra den begyndende sammenklumpning, der ses i mikrobølgebaggrunden.
Observationer antyder, at universet gennemgik en skrap omdannelse i løbet af
de Mørke Tidsaldre. Astronomerne leder i øjeblikket efter de
manglende sider i det kosmiske fotoalbum, som vil vise, hvordan universet
udviklede sig i sin barndom og lavede byggestenene af galakser som vor egen
Mælkevej. For ti år siden, da jeg begyndte på dette arbejde, var kun en
håndfuld forskere interesserede i det. Nu motiverer det en stor brøkdel af
fremtidige observationsprojekter og giver lovning om at blive et af de mest
spændende fronter i kosmologi i det næste årti. Ifølge big bang teorien var det tidlige univers fyldt af varm plasma –
en stor kedel af protoner, elektroner, fotoner og et lille antal spredte
andre partikler. De frit bevægelige elektroner vekselvirkede med fotoner
gennem en proces kaldet Thomson spredning, som koblede stof og stråling tæt
sammen. Efterhånden som universet udvidede sig i størrelse, afkøledes det og
da temperaturen faldt til 3.000 kelvin kombinerede protonerne og elektronerne
sig og lavede elektrisk neutrale brintatomer. Processen med Thomson spredning
sluttede og fotonerne ophørte med at vekselvirke så intensivt med stoffet og
blev til mikrobølgebaggrunden. Den kosmiske udvidelse fortsatte med at afkøle
gassen, så man kunne forvente, at den kosmiske gas stadig ville være kold og
neutral i dag. Overraskende nok er den ikke det. Selv om
verden omkring os er sammensat af atomer, findes størstedelen af universets
stof i dag i form af plasma langt ude i det intergalaktiske rum. De
observerede spektre af de fjerneste (og derfor ældste) kvasarer, galakser og
gammestråle udbrud viser, at denne diffuse kosmiske brint var helt ioniseret
ved en kosmisk alder på en milliard år [se ”The Emptiest Places,” af Evan
Scannapieco, Patrick Petitjean og Tom Broadhurst; Scientific American,
oktober 2002]. Et drillende tegn, på hvad der skete, kom for tre år siden
(2003, o.a.), da Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) bekræftede, at
mikrobølge baggrundsstrålingen er let polariseret. Neutral brint polariserer
ikke denne stråling; det gør kun ioniseret brint. Mængden af polarisering
tyder på, at gassen blev polariseret så tidligt som nogle få hundrede
millioner år efter big bang. Derfor må atomerne være brudt ned til deres
bestanddele, protoner og elektroner, ved slutningen af de Mørke Tidsaldre. De fleste forskere forbinder denne reionisering med den første
generation stjerner. Ionisering af et brintatom kræver 13,6 elektronvolt, en
mængde som leveres af en foton ultraviolet lys. Det er ikke en stor mængde
energi – den svarer til omkring 109 joules pr. kilogram brint,
meget mindre end de 1015 joules, der frigives ved kernefusion af
den samme mængde brint. Hvis blot en milliontedel af gassen i universet
gennemgik fusion inde i stjerner, ville det have produceret nok energi til at
ionisere hele resten. Andre forskere gætter på, at materiale, der faldt ind i
sorte huller, afgav den ioniserende stråling. Faldet ind i et sort hul
frigiver 1016 joules pr. kilogram, så kun en 10-milliontedel af
den kosmiske brint skulle falde ind i sorte huller for at ionisere resten. Stjerner og sorte huller opstår inde i galakser, så før reioniseringen
kunne finde sted, måtte galakserne være blevet dannede. Skønt de fleste
forestiller sig galakserne som samlinger af stjerner, betragter kosmologerne
dem helt enkelt som store kluumper stof, i hvilke stjernerne er kommet til
relativt sent. Faktisk består galakserne mest af mørkt stof, en indtil nu
uidentificeret type materiale, der er usynligt. Galakser menes at være
dannet, da et område af universet, som begyndte lidt tættere end middel, trak
sig sammen under sin egen gravitation. Skønt området i begyndelsen udvidede
sig ligesom resten af universet, bremsede dets ekstra gravitation udvidelsen,
vendte den og fik området til at kollapse på sig selv og danne et afgrænset
objekt: en galakse. Kosmisk tidslinie Viser de Mørke Tidsaldre liggende mellem
frigørelsen af mikrobølgebaggrundstrålingen og dannelsen af de første
galakser og stjerner. Perioden sluttede gradvist efterhånden som stjernelys
strømmede ud og skabte den ioniserede gas, der nu dominerer det
intergalaktiske rum
Ifølge de nuværende modeller begyndte dværggalakser at dannes, da
universet var 100 millioner år gammelt. De smeltede sammen og opbyggede med
tiden større galakser. En moderne galakse som Mælkevejen involverede
foreningen af en million sådanne byggesten. Inde i fostergalakserne afkøledes
gassen, delte sig og blev til stjerner [se ”The First Stars in the Universe,”
af Richard B. Larson og Volker Bromm; Scientific American, december 2001].
Stjernernes ultraviolette stråling lækkede ud i det interstellare rum, brød
elektroner løs fra deres atomer og skabte en ekspanderende boble af ioniseret
gas. Endnu flere bobler dukkede op, efterhånden som nye galakser fik fodfæste
og den intergalaktiske gas lignede en schweitzerost. Boblerne begyndte at
overlappe hinanden og fyldte med tiden hele rummet. Skønt rækkefølgen af begivenheder ovenfor
lyder plausibel, har den indtil videre kun befundet sig i teoretikernes sind.
Praktiske kosmologer ville gerne se direkte vidnesbyrd for
reioniseringsepoken, før de tilføjer det manglende kapitel til deres
lærebøger. Desuden kan kun observationer afgøre, om stjerner eller sorte
huller dominerede reioniseringen og hvilke egenskaber det sorte stof havde.
Men hvordan er sådanne observationer mulige, hvis de Mørke Tidsaldre var
mørke, i det mindste i begyndelsen? Heldigvis kan selv kold hydrogen udstråle en form for lys. Subatomare
partikler har en indre retning, som kaldes spin, der kan pege i en af to retninger,
som man plejer at kalde ”op” og ”ned.” Elektronen og protonen i et
hydrogenatom kan enten pege i den samme retning (rettet ind) eller i modsatte
retninger (ikke rettet ind). I den ikke rettede ind tilstand har atomet
lavere energi. Hvis, f.eks., både elektronen og protonen peger op og
elektronen så vender, så den peger ned, vil den atomare tilstand dale i
energi og afgive en foton med en bølgelængde på 21 centimeter. Hvis atomet
omvendt modtager en foton med denne bølgelængde, vil elektronen vende sig op.
En 21 centimeter foton har meget mindre energi end de fotoner, der udsendes
af hydrogen, når elektroner springer mellem banerne. Af denne grund kunne
processen med spinvending foregå, selv da der endnu ikke var nogen skinnende
stjerner. Energi fra mikrobølgebaggrundens stråling og fra kollisioner blandt
atomerne ville have været nok til at vende elektronerne og få hydrogenen til
at gløde svagt. Forholdet mellem atomer med spin, der var rettet ind, og dem,
der ikke var rettet ind, definerede gassens såkaldte spin temperatur. En høj
spin temperatur ville, f.eks., vise, at en stor brøkdel af atomerne var
rettet ind. Teori viser derfor, at de Mørke Tidsaldre
blev defineret af tre fremtrædende temperaturer: spin temperaturen (et mål
for den relative udbredelse af atomer med forskellige spintilstande); den
almidelige, kinetiske temperatur (et mål for atomernes bevægelser); og
strålingstemperaturen (et mål for baggrundsfotonernes energi). Disse tre
temperaturer kunne afvige fra hinanden afhængigt af, hvilke fysiske processer
der virkede. I en mærkelig tretrins proces svarede spin
temperaturen først til den kinetiske temperatur, så strålingstemperaturen og
endelig den kinetiske temperatur endnu en gang. Efterhånden som rummet
udvidede sig, afkøledes både gassen og strålingen. Overladt til sig selv
ville gassen være afkølet hurtigere, men i begyndelsen modvirkede et lille
antal resterende fri elektroner fra dannelsen af hydrogenatomer denne
tendens. Disse elektroner virkede som mellemmænd ved overførslen af energi
fra mikrobølgebaggrunden til atomerne og holdt alle tre temperaturer ens. Ti
millioner år efter big bang fejlede elektronerne imidlertid i denne rolle,
fordi mikrobølgebaggrunden var blevet for svag. Ligevægten mellem gassen og
strålingen brød sammen og gassen begyndte at afkøles hurtigt. Kollisioner
mellem atomerne holdt den kinetiske temperatur og spin temperaturen ens. I
denne fase var hydrogen en netto optager af 21 centimeter fotoner og sugede
energi fra mikrobølgebaggrunden (dog aldrig nok til at genoprette ligevægt). Et hundrede millioner år efter big bang
skete der en anden overgang. Kosmisk udvidelse havde fortyndet gassens tæthed
til et punkt, hvor kollisioner ikke skete hyppigt nok til at udligne spinnets
temperatur og den kinestiske temperatur. Så opsamlede spinnene energi fra
mikrobølgebaggrunden. Da spin temperaturen vendte tilbage til ligevægt med
strålingstemperaturen, var hydrogen hverken en netto optager eller udsender
af 21 centimeter fotoner. I denne periode kunne gassen ikke ses mod mikrobølgebaggrunden. Da de første stjerner og sorte huller
tændtes, skete der en tredje overgang. De røntgenstråler, de afgav, hævede
den kinetiske temperatur. Deres ultraviolette lys blev absorberet af
hydrogenen og udstrålet igen. Elektronernes efterfølgende hinkeleg mellem
atombanerne bragte spin temperaturerne og den kinetiske temperatur i
ligevægt. Spin temperaturen steg over mikrobølgebaggrundens temperatur, så
hydrogenen skinnede mere end baggrunden. At vende elektroner kræver meget
mindre energi end at ionisere atomer, så galakserne fik hydrogenen til at
gløde et godt stykke tid før de reioniserede den. Efterhånden som hydrogene
blev ioniseret, afgav den lys på andre måder og den intergalaktiske 21
centimeter stråling døde hen. Oprindelig snitoptagelse På grund af denne tretrins proces vil 21 centimeter himlen være enten
lysere eller mørkere end mikrobølgebaggrunden afhængigt af tid og sted. Et
andet fænomen, som observatører behøver at tage i betragtning, er, at kosmisk
udvidelse har strakt fotonerne til længere bølgelængder. Siden starten på de
Mørke Tidsaldre har universet udvidet sin størrelse med en faktor 1.000, så
en 21 centimeter foton udsendt på den tid ankommer på Jorden med en
bølgelængde på 210 meter. En foton udsendt henimod slutningen på de Mørke
Tidsaldre flyttes til en bølgelængde på en eller to meter. Hvordan man ser i mørket
Dette område af bølgelængder falder i det elektromagnetiske spektrums
radiodel. Udstrålingen kan hentes med rækker af lavfrekvens antenner magen til
dem, der bruges til TV og radiokommunikation. Adskillige grupper konstruerer
i øjeblikket sådanne rækker. Mileura Widefield Array (MWA) i Western
Australia vil bestå af 8.000 antenner, som er spredt over et 1,5 kilometer
langt område og er følsomme for en bølgelængde på en til 3,7 meter. Det har
en vinkelopløsning på nogle få bueminutter, hvilket svarer til en fysisk
skala på omkring tre millioner lysår under de Mørke Tidsaldre. Andre
projekter inkluderer Low-Frequency Array (LOFAR), Primeval Structure Telescope
(PaST) og, længere ud i fremtiden, Square Kilometer Array (SKA). Ved at scanne bølgelængderne vil disse
antenner sondere 21 centimeter udstrålingen til forskellige tider i den
kosmiske historie. Astronomer vil kunne bygge et tredimensionalt kort over
fordelingen af neutral hydrogen. De vil kunne iagttage tæthedssvingninger på
én del af 100.000 (som i mikrobølgebaggrunden) blive størrelsesordener
større. På stederne med størst tæthed burde galakser dannes og skabe bobler
af ioniseret hydrogen. Boblerne formerer sig og smelter sammen og renser
efterhånden det intergalaktiske rum for neutral hydrogen. Skarpheden af
boblernes grænser vil besvare spørgsmålet om hvorvidt reioniseringen blev
forårsaget af massive stjerner eller sorte huller. Massive stjerner udspreder
det meste af deres energi i ultraviolet lys, som nemt blokeres af
intergalaktisk hydrogen, hvorimod sorte huller mest producerer
røntgenstråler, som trænger dybt ind i gassen. Så sorte huller frembringer
mere udviskede grænser. Af flere grunde indeholder 21 centimeter
kortet måske flere bits information end nogen anden undersøgelse i kosmologi
– flere end selv den kosmiske mikrobølgebaggrund. For det første: hvor et
billede af mikrobølgebaggrunden er todimensionalt, fordi det stammer fra et
enkelt øjeblik i tiden ( da universet afkøledes under 3.000 kelvin), vil 21
centimeter kortet, som nævnt ovenfor, være helt tredimensionalt. For det
andet: Mikrobølgebaggrunden er noget uklar, fordi dens frigørelse ikke skete
på samme tid overalt. Universet gennemgik en periode, hvor det hverken var
helt uigennemsigtigt eller helt gennemsigtigt, som en tåge der opløses
gradvist. I den periode spredtes strålingen over korte afstandsskalaer og
udtværede det, der var skrevet med småt på mikrobølgebaggrundens himmel. I
kontrast hertil var der intet, der blokerede for 21 centimeter strålingens
udbredelse i rummet, da den dukkede frem fra hydrogenatomerne, så den sporer
gasfordelingen uden en sådan uklarhed. For det tredje: Mikrobølgebaggrunden
bærer information om stoffets tæthedssvingninger, der såede galakserne,
hvorimod 21 centimeter kortet vil afbilde både spirerne til galakser og den
virkning som galakserne havde på deres omgivelser, da de var dannet. For at detektere 21 centimeter strålingen
skal observatørerne overvinde talrige udfordringer. Lavfrekvens
radioudsendelse på Jorden skal filtreres fra. Endnu vanskeligere vil det
blive at behandle forgrundsradioudstråling fra vor galakse, som er 10.000
gange mere intens end signalet fra epoken med reionisering. Heldigvis er den
galaktiske støj groft den samme ved lidt skiftende bølgelængder, hvorimod
signalet svinger med bølgelængden, hvilket afspejler de ioniserede boblers
rumlige struktur. Denne forskel gør det muligt at uddrage signalet. Astronomer
burde kunne sammenligne 21 centimeter kortene med billeder fra instrumenter
som JWST (James Webb Space Telescope). Galakserne set i infrarødt lys burde
svare til ioniserede bobler i den neutrale hydrogen. Ud over de ovennævnte udfordringer til
observatørerne resterer der et antal opgaver til teoretikerne. Det vigtigste
er, at de behøver at køre større computersimuleringer for at spore hændelser
i et rumfang af rummet, der er stort nok (en milliard lysår i tværsnit) til
at være en repræsentativ statistisk prøve på vort univers og med høj nok
opløsning til at fange dværggalakser. Simuleringen skal også spore
udbredelsen af den ioniserende stråling fra galakserne gennem den omgivende
gas, en proces der indtil nu kun er lavet meget grove modeller af. Observatørerne
kunne meget vel se reionisering før teoretikerne er i stand til at forudsige,
hvad de skulle se. Denne kombinerede indsats af observationer
og teori burde kaste lys over forskellige mysterier, der nu plager teorien om
galaksedannelse. Et sæt spørgsmål drejer sig om de massive sorte huller i
galaksernes centre. I det sidste årti har astronomer erkendt, at næsten hver
galakse i nutidens univers, inklusive vor egen Mælkevej, er vært for et
massivt sort hul. Disse huller menes at blive fodret med gas i enkeltstående
hændelser, udløst af galaksers sammensmeltning. Under disse spurter af vækst
skinner tilvækstgassen meget mere lyst end hele resten af galaksen og
frembringer en kvasar. Sloan Digital Sky Survey har afsløret, at kvasarer med
sorte huller på mere end en milliard solmasser allerede fandtes ved en
kosmisk alder på en milliard år. Hvordan kom så massive sorte huller til at
eksistere så tidligt? Hvorfor stoppede de med at vokse? Et andet sæt drejer sig om
størrelsesfordelingen af galakser. Teoretikerne tror, at den ultraviolette
stråling, frembragt af dværggalakser under epoken med reionisering, opvarmede
den kosmiske gas og undertrykte dannelsen af nye galakser med lille masse.
Hvordan udfoldede denne undertrykkelse sig i tidens løb? Hvilke af de dværggalakser,
vi finder i dag, eksisterede allerede i begyndelsen? Disse er kun nogle få af
de mange spørgsmål, hvis svar ligger i de Mørke Tidsaldre. Oplyse kosmos
Measuring the Small-Scale Power Spectrum of Cosmic Density
Fluctuations through 21 cm Tomography Prior to the Epoch of Structure
Formation. Abraham Loeb og Matias Zaldarriaga i Physical
Review Letters, Vol. 92, No. 21 Paper No. 211301; 25. Maj, 2004. arxiv.org/abs/astro-ph/0312134 The State of the Universe. Peter Coles i Nature, Vol. 433, siderne
248-256; 25. Januar, 2005. First Light. Abraham Loeb. Lecture notes for the SAAS-Fee
Winter School, April 2006. arxiv.org/abs/astro-ph/0603360 Chasing Hubble's Shadows: The Search for Galaxies at the Edge of Time. Jeff
Kanipe. Hill and Wang, 2006. Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the
High-Redshift Universe. Steven Furlanetto, S. Peng Oh og Frank
Briggs i Physics Reports. arxiv.org/abs/astro-ph/0608032
*Abraham Loeb er førende i verden i det teoretiske studium af de første
stjerner og sorte huller og reioniseringsepoken. Det, der driver ham, siger
han, er en interesse for gamle filosofiske spørgsmål; de inspirerede ham til
at gå ind i fysik som ung. Han er nu astronomiprofessor på Harvard University
og besøgende professor på Weizmannn Institute of Science i Rehovot, Israel.
Loeb har også været pioner i detektionen af udensols planeter gennem
gravitationel mikrolinsning og produktionen af gammastråler i det
intergalaktiske rum. Han tjente på den første arbejdsgruppe for James Webb
Space Telescope og modtog et Guggenheim Fellowship i 2002. Fra THE DARK AGES of the Universe,
Scientific American, November 2006, side 22-29.
19.
September, 2009. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
